【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水体处理和环境保护，尤其是涉及一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置及方法。
技术介绍
1、农业、工业、下水道和废水生产等人类活动导致了废水的产生，全球废水年生产量约为2212km3，相当于每年淡水抽取量的56％。废水排放至河道会导致水体环境富营养化，引发藻类爆发现象，并对水生生物和人类健康造成有害影响，随着废水排放问题越来越严重，河道周围的生态环境以及居民的日常生活已经受到了严重的威胁，成为了制约社会可持续发展进程和人类生存的控制因素。因此，需要采取一定工艺对污染水体进行处理。
2、能源是水处理过程中使用的最重要的资源之一。据统计，废水处理的电力能耗约占世界总能源的4％，这种高能耗处理过程往往伴随着大量的碳排放，在实现碳中和愿景的社会背景下，高耗能、高成本和排放温室气体的传统的水处理工艺，已无法满足可持续发展需求。能源危机、水环境污染和碳中和需求的多重压力迫使传统水处理工艺迫切需要技术升级。
3、目前，光催化技术(photocatalysis，pc)和微生物燃料电池技术(microbial fuelcell，mfc)成为新型的废水处理技术。其中pc技术处理水体具有高效性，但不适于处理成分复杂的废水，而mfc技术可以通过高性能微生物的驯化，实现多种污染物的同时降解、矿化，还可以进行产电输出，但所需处理时间较长。近年来，多种技术手段联合应用逐渐成为了污染物治理的研究热点。光催化-微生物燃料电池(pc-mfc)耦合技术，原位或间接利用催化材料在光照下对有机污染物的氧化作用以及微生物对废水
技术实现思路
1、本专利技术目的是为提供一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置及方法，对天然河道水进行净化处理，改善河道水微藻爆发问题，本专利技术提供的控制装置涉及光催化微藻电极，能够24小时动态控制微藻丰度。
2、开发设计更为高效的mfc系统应用于废水治理领域一直是一个重要的课题。本专利技术设计的一种具有“双重光合作用”的天然水体藻类爆发污染的控制和净化装置，可协同人工光合和自然光合的双重作用实现对水体中微藻丰度进行24小时全天候有效调控，保持水体健康的同时还得到一定的电能供给水质监测传感器，可以应用于天然河道、湖泊、人工景观水体等的藻类污染控制领域。
3、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
4、一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，所述控制装置用于监测并调控水体内微藻丰度，所述控制装置包括光催化耦合双室微藻生物燃料电池和水质监测传感器，
5、所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室通过连接组件相连，
6、所述阳极室内设有光催化微藻复合阳极、光源和搅拌桨，所述光催化微藻复合阳极和光源间隔设置于阳极室内，所述光催化微藻复合阳极和光源与阳极室内顶端相连，所述搅拌桨设于阳极室内底端，所述阳极室和水体相连通，
7、所述阴极室内设有微藻生物阴极、藻液和搅拌桨，所述微藻生物阴极设于阴极室内一侧，所述藻液填充于阴极室内，所述搅拌桨设于阴极室内底端，所述光催化微藻复合阳极与微藻生物阴极电性连接，
8、所述连接组件包括质子交换膜，所述质子交换膜一端与阳极室相接，所述质子交换膜另一端与阴极室相接，
9、所述水质监测传感器一端与水体相连，所述水质监测传感器另一端与阴极室相连，所述水质监测传感器用于监测水体和阴极室内微藻丰度。
10、进一步地，所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池还包括电容器，所述电容器通过电导线与光催化微藻复合阳极和微藻生物阴极电性连接，所述电容器还与光源电性连接，所述电容器用于给光源供电。
11、上述更进一步地，所述水质监测传感器外接第一水质监测传感器探头和第二水质监测传感器探头，所述水质监测传感器与电容器、第一水质监测传感器探头和第二水质监测传感器探头电性连接，所述电容器还用于给水质监测传感器供电，所述第一水质监测传感器探头用于监测水体内微藻丰度，所述第二水质监测传感器探头用于监测阴极室内藻液的微藻丰度。
12、进一步地，所述光催化微藻复合阳极由基底电极、光催化镀层和微藻组成，所述基底电极两侧均设有光催化镀层，所述光催化镀层一侧与基底电极相接，所述光催化镀层另一侧设有微藻。
13、进一步地，所述阳极室和阴极室底端通过第一连接水管相连，所述第一连接水管上设有第二水泵；
14、所述阳极室和阴极室顶端通过气体连通管相连，所述气体连通管用于将阳极室产生的二氧化碳气体排放至阴极室。
15、进一步地，所述阳极室上端设有第二连接水管，所述第二连接水管上设有第二闸阀，所述阳极室下端设有第三连接水管，所述第三连接水管上设有第一水泵，所述第二连接水管和第三连接水管均与水体相连通，所述第二连接水管用于进水，所述第三连接水管用于排水。
16、进一步地，所述阴极室顶端设有一个阴极室排气口，所述第二水质监测传感器探头穿过阴极室排气口，
17、所述阴极室底端设有一个第四连接水管，所述第四连接水管上设有第一闸阀。
18、进一步地，所述光源为led光源，所述光源外设有石英套管。
19、此外，本专利技术还提供一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制方法，采用上述控制装置进行，具体步骤如下：
20、s1、水质监测传感器对水体内微藻丰度进行检测，当微藻丰度超过设定标准值时，水体进入到阳极室内，搅拌桨启动，水体与光催化微藻复合阳极接触，
21、s2、日间，光催化微藻复合阳极接受光的辐照后产生空穴与电子，电子通过电导线输送至微藻生物阴极，空穴则迁移至光催化微藻复合阳极表面，与水中的氢氧根离子形成羟基自由基，氧化分解水体中的有机和无机污染物，并杀灭有害微生物及藻类，产生质子通过质子交换膜到达阴极室；
22、s3、阴极室内的藻液发生生物光合作用，产生氧气与步骤s2中得到的质子结合生成水，从而驱动阳极室内的质子持续进入阴极室，上述作用过程就产生了持续的电能，所产生的电能被储存在电容器中；
23、s4、夜间，电容器将日间所储存的电能持续释放，提供电能启动阳极室内的光源，驱动光催化微藻复合阳极继续工作，氧化分解水体中无机和有机污染物及微生物；
24、s5、经过阳极室处理后的水体排放至水体中，从而实现水体内污染藻类的生物量始终处于低丰度范围；
25、s6、当水体内微藻丰度达到安全数值标准时，控制装置停止运行。
26、进一步地，步骤s1中，所述水质监测传感器通过分析叶绿素浓度从而对水体内微藻丰度进行实时监测分析。
27、进一步地，步骤s1中，所述光催化微藻复合阳极材料为小球藻/k+-c3n4/tio2/c，所述c为基底电极材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，所述控制装置用于监测并调控水体(2)内微藻丰度，其特征在于，所述控制装置包括光催化耦合双室微藻生物燃料电池和水质监测传感器(19)，
2.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池还包括电容器(17)，所述电容器(17)通过电导线(16)与光催化微藻复合阳极(1)和微藻生物阴极(4)电性连接，所述电容器(17)还与光源(6)电性连接，所述电容器(17)用于给光源(6)供电。
3.根据权利要求2所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述水质监测传感器(19)外接第一水质监测传感器探头(20)和第二水质监测传感器探头(21)，所述水质监测传感器(19)与电容器(17)、第一水质监测传感器探头(20)和第二水质监测传感器探头(21)电性连接，所述电容器(17)还用于给水质监测传感器(19)供电，所述第一水质监测传感器探头(20)用于监测水体(2)内微藻丰度，所述第二水质监测传感器探头(21)用于监测阴极室(13)
4.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述光催化微藻复合阳极(1)由基底电极(1-1)、光催化镀层(1-2)和微藻(1-3)组成，所述基底电极(1-1)两侧均设有光催化镀层(1-2)，所述光催化镀层(1-2)一侧与基底电极(1-1)相接，所述光催化镀层(1-2)另一侧设有微藻(1-3)。
5.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述阳极室(10)和阴极室(13)底端通过第一连接水管(3)相连，所述第一连接水管(3)上设有第二水泵(11)；
6.根据权利要求3所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述阳极室(10)上端设有第二连接水管(23)，所述第二连接水管(23)上设有第二闸阀(18)，所述阳极室(10)下端设有第三连接水管(24)，所述第三连接水管(24)上设有第一水泵(9)，所述第二连接水管(23)和第三连接水管(24)均与水体(2)相连通，所述第二连接水管(23)用于进水，所述第三连接水管(24)用于排水；
7.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述光源(6)为LED光源，所述光源(6)外设有石英套管(5)。
8.一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一所述的控制装置进行，具体步骤如下：
9.根据权利要求8所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述水质监测传感器(19)通过分析叶绿素浓度从而对水体(2)内微藻丰度进行实时监测分析；
10.根据权利要求8所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制方法，其特征在于，步骤S2中，净化生成的产物二氧化碳气体通过气体连通管(7)排放至阴极室(13)内；
...【技术特征摘要】
1.一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，所述控制装置用于监测并调控水体(2)内微藻丰度，其特征在于，所述控制装置包括光催化耦合双室微藻生物燃料电池和水质监测传感器(19)，
2.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述光催化耦合双室微藻生物燃料电池还包括电容器(17)，所述电容器(17)通过电导线(16)与光催化微藻复合阳极(1)和微藻生物阴极(4)电性连接，所述电容器(17)还与光源(6)电性连接，所述电容器(17)用于给光源(6)供电。
3.根据权利要求2所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述水质监测传感器(19)外接第一水质监测传感器探头(20)和第二水质监测传感器探头(21)，所述水质监测传感器(19)与电容器(17)、第一水质监测传感器探头(20)和第二水质监测传感器探头(21)电性连接，所述电容器(17)还用于给水质监测传感器(19)供电，所述第一水质监测传感器探头(20)用于监测水体(2)内微藻丰度，所述第二水质监测传感器探头(21)用于监测阴极室(13)内藻液(15)的微藻丰度。
4.根据权利要求1所述的一种基于双重光合作用的天然水体藻类丰度控制装置，其特征在于，所述光催化微藻复合阳极(1)由基底电极(1-1)、光催化镀层(1-2)和微藻(1-3)组成，所述基底电极(1-1)两侧均设有光催化镀层(1-2)，所述光催化镀层(1-2)一侧与基底电极(1-1)相接，所述光催化镀层(1-2)...
【专利技术属性】
技术研发人员：张丽，石佳玉，王雪蓉，杨程渝，陈婧怡，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：
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